离子聚合物金属复合材料的制备、驱动特性与仿生应用研究

发布时间：2020-04-02 20:11

【摘要】：目前软体机器人在国际上迅速崛起,有关软体机器人的各种想法和设计层出不穷。而软体机器人制备最主要的核心就是材料的选择。离子聚合物金属复合材料(IPMC)具备电场响应性快,质轻,在低电压下会发生较大弯曲并且具有一定的力输出等优点,很多学者采用其作为软体驱动材料来研究软体机器人。目前国内外制备IPMC柔性驱动器通常采用铂(Pt)、金(Au)和钯(Pd)等贵金属,导致其成本过高,在一定程度上限制了 IPMC的广泛应用。因此探索低成本的IPMC制备方法成为IPMC材料研究领域的一个重要方向。此外,目前对于IPMC的水下仿生应用也不是很详尽。本文首先以杜邦公司的Nafion-117质子交换膜作为基膜制备了铂型离子聚合物金属复合材料(Pt-IPMC),之后在分析IPMC致动原理的基础上探索以金属铜(Cu)替代传统Pt电极的制备方法。测试和分析了铜基离子聚合物金属复合材料(Cu-IPMC)和Pt-IPMC的含水率,附着力,形貌,增重率,表面电阻,致动效果及力输出等基本特性。通过对比发现Cu-IPMC的耐受电压范围为3-10 V,Pt-IPMC耐受电压范围为3-5 V,且Pt-IPMC能耐受的最大电压远大于Pt-IPMC。此外Cu-IPMC的力输出最大为17mN,Pt-IPMC力输出最大为13 mN。结果表明,采用廉价的Cu来替代昂贵的Pt用于制备IPMC是完全可行的。此外,本文将Pt-IPMC用于仿生应用研究,首先基于对Pt-IPMC的性能测试,研究了不同的Pt-IPMC的尺寸对其运动特性和力输出的影响,确定了最佳的Pt-IPMC尺寸;分析了驱动电压和驱动频率对运动特性的影响,得出了频率—位移特性规律与最佳驱动交流电为5 V,1 Hz,为鳐鱼驱动系统设计与控制提供了依据;通过分析鳐鱼的结构特征,设计了 Pt-IPMC驱动方案,利用Pt-IPMC制备了仿生鳐鱼;对自然界中的鳐鱼进行步态分析,得到其游动时胸鳍上等距四点的相位关系;最后设计制作了驱动电路,并进行了仿生鳐鱼的实际测试。结果表明,该仿生鳐鱼在水里的游动速度可达到4 mm/s。
【图文】：

均匀分布,全氟磺酸,质子交换膜,分子式

西安科技大学全日制工程硕士学位论文认识。目前人们通常认为的驱动机理如下：型树脂基 IPMC 为例，其常见的基底膜 Nafion11种全氟磺酸质子交换膜（其分子结构如图 1.1 所示吸收大量极性溶液(如水等)。全氟磺酸膜内部具有移动的阳离子能通过该网链扩散或迁移。如图 1.其内部各种离子在材料中均匀分布，当给 IPMC 膜在其内部垂直于膜的方向上产生一个电场，在电场动水合阳离子在静电力驱动下会从阳极迁移到阴合在一起的水分子则会向阴极聚集，，使得膜片靠阴的一面发生收缩（如图 1.2（b）所示）。由于其内，从而在宏观上产生该材料向阳极方向的弯曲变形学者所认可[10]。

原理图,原理图,全氟磺酸,电场

可移动的阳离子能通过该网链扩散或迁移。如图 1.，其内部各种离子在材料中均匀分布，当给 IPMC 膜会在其内部垂直于膜的方向上产生一个电场，在电场移动水合阳离子在静电力驱动下会从阳极迁移到阴结合在一起的水分子则会向阴极聚集，使得膜片靠阴极的一面发生收缩（如图 1.2（b）所示）。由于其内匀，从而在宏观上产生该材料向阳极方向的弯曲变数学者所认可[10]。图 1.1 全氟磺酸质子交换膜分子式 Molecular formula of perfluorosulfonic acid proton exchange（ a（ b
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242;TB33

【参考文献】